Контрольная работа по "Материаловедению"

 

 

 

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Пензенская государственная технологическая академия”

(ПГТА)

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по дисциплине:

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

“______________________________”

 

 

Контрольная№7

На тему:”_________________________”

 

 

 

 

                                                                                  12 ЭМбз 

 

                                        Выполнил: студент группы__________

                                                                          Курбанова Н.В.

                                                                          _______________

 

 

 

 

                                     Проверил: преподаватель кафедры

 

 

                                                     __________________________

 

 

Пенза 2012г

1.В  чем причина хрупкости тел  с ковалентным типом связи?

Типы  связей между атомами и молекулами.

          К главным из них относятся  ионная, ковалентная, молекулярная  и металлическая. Первые два типа связи образуются за счет перераспределения электронной плотности. При этом в случае ковалентной неполярной связи валентные электроны просто обобществляются между соседними атомами 

( , алмаз), а в случае ковалентной полярной ( ) и, особенно, ионной

( ) дополнительно происходит смещение электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента (от к ). Эти два типа связи направленные, т.к. каждый атом вступает в обменное взаимодействие с вполне определенным числом соседних атомов.

  Следствием этого является низкая пластичность и, соответственно, высокая хрупкость. К характерным свойствам также относятся высокая твердость, высокая температура плавления и сублимации, высокий модуль упругости и низкие коэффициенты сжимаемости и теплового расширения. Отсутствие свободных носителей электричества, поскольку поляризованные атомы включены в состав кристаллической решетки, а валентные электроны находятся на электронных орбитах атомов, делает кристаллы данных типов диэлектриками.

2.Используя правило фаз,установите, как должна происходить кристаллизация чистого вещества: при постоянной температуре или в интервале температур?

Фаза – часть системы, ограниченная поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. В гетерогенной системе имеется несколько фаз, в гомогенной – лишь одна.

Степень свободы – возможность изменения концентрации, температуры или давления без изменения числа фаз. Число степеней свободы системы.  Правило фаз Гиббса:  
                                                      С = К - Ф + П,  
где К - число компонентов (простых веществ). В данном случае - чистое вещество (1). 
Ф - число фаз. При кристаллизации - твердая и жидкая (2). 
П - число внешних переменных, влияющих на фазовый состав. В данном случае - температура (1). 
С - 1 - 2 + 1 = 0. Это означает, что процесс кристаллизации будет идти при постоянной температуре.

 

         Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке 1.

Рисунок 1 — Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

           В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом. При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

          Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

          Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ΔT):

ΔT = Ттеор — Ткр

          Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

         При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Кривая охлаждения чистого металла

Ттеор — теоретическая температура кристаллизации;

Ткр — фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла. До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называетсяскрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

 

 

3.Выбрать материал для  шестерни. Рекомендовать термическую  и химико-термическую обработку, обеспечивающую заданные свойства. Привести химический состав выбранного  материала, а также микроструктуру  в готовом изделии.

   Дано:  σт,Мпа 300, 200НВ,Смазка достаточная. Динамические нагрузки. Необходимость хорошей прирабатываемости.

 

            Шестерня - это деталь цилиндрической или конической формы, с зубьями, которые зацепляются за зубья другой шестерни и приводят в движение разнообразные механизмы. Используются они парами, число зубьев должно быть разным. 
       Стали используемые для изготовления шестерни: Углеродистая с 0,05...0,25 % С:

Ст0 - Ст4, 08, 08кп, 20, 15Г , Легированная: средней прочности с 0,12...0,15 % С: 15Х,20Х, 15ХФ, 15ХМ, 20ХМ, 20ХТ, 12ХН2, 15ХР, 18ХГТ, 20ХН, 15ХФ, 15Г, 20НМ,

      В зависимости от условий работы шестерни подвергают различной термической обработке: нормализации, улучшению, закалке и низкому отпуску, цианированию (нитроцементации) с последующей закалкой и отпуском.

      Шестерни, работающие при средних скоростях, средних давлениях н небольших ударных нагрузках, изготовляют из легированных среднеуглеродистых сталей.

Характеристика материала. Сталь 15Г.

Марка	Сталь 15Г
Заменитель:	Сталь 20Г
Классификация	Сталь конструкционная легированная
Применение	после улучшения - заклепки ответственного назначения; после цементации или цианирования - поршневые пальцы, фрикционные диски, пальцы рессор, кулачковые валики, болты, гайки, винты, шестерни, червяки и другие детали с высокой твердостью и износостойкостью поверхности; без термообработки - сварные подмоторные рамы, башмаки, косынки, штуцера, втулки.

 

Термическая и химико-термическая обработка.

Режимы термической обработки зубчатых колес из этих сталей следующие:

а) закалка в масле и отпуск прн 180 - 200В° С (HRC 50 - 55);  
б) цианирование (нитроцементация) при 830 - 850В° С, толщина слоя должна быть в пределах 0,2 - 0,3 мм, для чего

необходима выдержка 30 - 50 мин при цианировании и 1 - 2 ч при нитроцементации.

Химический состав в % материала 15Г

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.12 - 0.19	0.17 - 0.37	0.7 - 1	до   0.3	до   0.035	до   0.035	до   0.3	до   0.3

Температура критических точек материала 15Г.

Ac1 = 735 ,      Ac3(Acm) = 863 ,       Ar3(Arcm) = 840 ,       Ar1 = 685

Механические свойства при Т=20oС материала 15Г .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток	Æ 25		410	245	26	55		Нормализация 880oC, воздух,

 

 

Твердость материала   15Г   горячекатанного отожженного ,

HB 10 -1 = 170   МПа

Физические свойства материала 15Г .

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20				7810
100	1.86	12.3			496
200	1.83
300		13.2			538
400
500					592
600		14.9
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

Технологические свойства материала 15Г .

Свариваемость:	без ограничений.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

Легированные низкоуглеродистые стали после отжига имеют структуру феррит + перлит, а так же после закалки малоуглеродистый мартенсит.

Установлено, что добавки азота вместе с нитридообразующими элементами способствует значительному измельчению зерна и повышению температуры начала роста зерна аустенита. Нитриды влияют на свойства стали также путём воздействия на кинетику превращения аустенита и на дисперсное твердение.

Высокая пластичность, мелкое зерно и особенно высокая температура его роста способствуют получению качественных сварных соединений листов толщиной от 20 мм - сталь с нитридами алюминия и до 100 мм (сталь с нитридами ванадия). Низколегированная сталь с нитридным упрочнением удовлетворительно деформируется в холодном и горячем состояниях. Сталь такого типа характеризуется высоким сопротивлением хрупкому разрушению и достаточно низким порогом хладно ломкости.

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Выбрать  материал для изготовления инструмента  «Машинный метчик».Рекомендовать  термическую и химико-термическую  обработку. Привести химический  состав выбранного материала, а  также микроструктуру в готовом  изделии.

Разновидность сталей для детали машинный метчик

 

 Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит с гарантией на химический состав и твердость. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (HB 187...217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента. Из-за низкой прокаливаемости углеродистые стали пригодны для мелкого инструмента или для инструмента сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники и т.п.). Несквозная закалка уменьшает деформации инструмента и повышает за счет вязкой сердцевины его устойчивость к ударам и вибрациям. В сечениях более 25 мм закаленный слой получается тонким и продавливается во время работы. После закалки их отпускают при 275...350 °С на троостит (HRC 48...51).       Заэвтектоидные стали У10, У11, У12 используют после низкого отпуска (150...180 °С) со структурой мартенсита и включениями карбидов, обеспечивающих повышенную износостойкость. Их применяют для инструментов с высокой твердостью на рабочих гранях HRC 62...64): режущего (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы и т.д.),